三值FPRM电路极性间转换算法及其在面积优化中的应用

通过对三值FPRM(Fixed-polarity Reed-Muller)展开式和四值列表技术的研究,提出了一种三值FPRM电路极性间转换算法,并将其应用于电路面积优化.首先根据四值RM(Reed Muller)逻辑多项式系数的计算方法,推导出三值FPRM展开式极性间系数转换算法;然后利用该算法,结合三值模代数特点以及电路面积估计模型,沿非循环格雷码极性遍历路径进行三值FPRM电路面积最佳极性搜索,得到面积最优的FPRM电路.最后对8个MCNC基准电路进行测试,结果表明：与0极性Reed-Muller电路相比,三值FPRM电路的面积平均减少56.2%.     

基于模拟退火遗传算法的三值FPRM电路功耗优化

在三值FPRM(Fixed-Polarity Reed-Muller)逻辑函数中,n变量函数有3ⁿ个固定极性.针对不同极性下FPRM电路功耗不同的特点,研究了三值FPRM逻辑表达式,提出一种基于模拟退火遗传算法的三值FPRM电路功耗优化方法.首先,根据三值逻辑函数表达式和开关信号传递理论,建立三值FPRM电路功耗估计模型;再利用模拟退火遗传算法对三值FPRM电路进行功耗最佳极性搜索,得到了功耗最低的FPRM电路;最后对13个MCNC Benchmark电路进行仿真.结果表明:与0极性相比,搜索到的最佳极性功耗平均节省了73.98%.     

基于DNSGA-Ⅱ算法的三值FPRM电路面积与功耗优化

针对三值FPRM电路面积与功耗综合优化问题,提出一种基于差分非支配排序遗传算法(Differential Non-dominated Sort Genetic Algorithm Ⅱ,DNSGA-Ⅱ)的最佳极性搜索方案.首先在DNSGA-Ⅱ算法中,随机抽取种群个体进行高斯变异而产生变异群体.从Pareto非劣解集和变异群体中抽取父代进行二项式交叉产生子代群体,从而维持算法的多样性.然后,结合DNSGA-Ⅱ算法与三值FPRM电路极性转换技术和低功耗技术,搜索电路面积与功耗的最佳极性.最后对MCNC Benchmark电路进行测试,与GA和NSGA-Ⅱ算法搜索到的结果相比,DNSGA-Ⅱ算法获取的最佳极性电路功耗平均减小19.53%和15.08%,面积平均节省9.01%和6.05%.     

基于近似计算技术的FPRM逻辑功耗优化

提出了一种基于近似计算技术的FPRM逻辑功耗优化的算法, 该算法包括基于信号概率和跳变密度的固定极性Reed-Muller(Fixed Polarity Reed-Muller, FPRM)函数动态功耗模型, 基于遗传算法的以功耗优化为导向的RM逻辑极性搜索方法, 以及利用双锐积运算的RM逻辑错误率计算方法. 在错误率的约束下, 通过有选择性地删减部分乘积项, 实现功耗优化. 提出的算法用C语言实现, 并用MCNC Benchmark电路测试. 结果表明: 与原始FPRM电路功耗相比, 在平均错误率为3.21％时, 电路动态功耗平均减少了22.77％.     

包含无关项的MPRM展开式最小化算法

通过对包含无关项布尔逻辑函数SOP(Sum-of-Products)展开式和MPRM(Mixed Polarity Reed-Muller)展开式的研究,结合基于系数矩阵的FPRM(Fixed Polarity Reed-Muller)展开式极性转换算法,提出了一种包含无关项逻辑函数MPRM展开式最小化算法.首先将包含无关项逻辑函数SOP展开式转换为MPRM展开式,并用系数矩阵的形式表示;然后删除函数中的冗余变量,归纳出一种包含无关项MPRM展开式最小化算法,得到与项数较少的MPRM展开式;最后随机选取15个MCNC基准电路进行测试,结果表明该算法能有效地优化电路面积.     

包含无关项的MPRM展开式最小化算法

通过对包含无关项布尔逻辑函数SOP（Sum—of-Products）展开式和MPRM（MixedPolarityReed—Muller）展开式的研究,结合基于系数矩阵的FPRM（FixedPolarityReed—Muller）展开式极性转换算法,提出了一种包含无关项逻辑函数MPRM展开式最小化算法．首先将包含无关项逻辑函数SOP展开式转换为MPRM展开式,并用系数矩阵的形式表示;然后删除函数中的冗余变量,归纳出一种包含无关项MPRM展开式最小化算法,得到与项数较少的MPRM展开式;最后随机选取15个MCNC基准电路进行测试,结果表明该算法能有效地优化电路面积．     

基于矩形覆盖的FPRM电路多级面积优化

Reed-Muller(RM)逻辑因其优越的性能而广泛应用于数字电路,本文提出一种固定极性RM(FixedPolarityRM,FPRM)逻辑函数的多级优化方法.首先将电路表示成XOR/AND形式的FPRM逻辑函数,再计算函数的kernels和co-kernels,并由其生成矩阵,然后从矩阵中搜索尽可能多的矩形覆盖,利用矩阵分块和贪心策略逐步提取公共变量,最后生成多级逻辑表达式.MCNC Benchmarks测试后的结果表明,本方法得到的表达式比原RM逻辑表达式减少66%的文字(literals)数目,比onset表方法的优化结果减少19%.     

三值绝热门控串行数值比较器设计

通过对数值比较器、多值逻辑电路和绝热电路工作原理及结构的研究,提出一种新型的三值绝热门控高位先行串行数值比较器设计方案.该方案利用电路三要素理论,分别推导出构成三值绝热门控串行数值比较器的三值绝热文字电路和一位三值绝热数值比较器的元件级函数表达式及相应的电路结构.PSPCIE模拟结果表明,所设计的电路逻辑功能正确,具有绝热电路能量恢复的特点,将其与传统三值CMOS高位先行串行比较器相比,平均节省功耗约90%.     

基于逻辑复合门映射的电路面积优化

提出了一种基于复合门映射的电路面积优化方法.该方法首先通过BDD结构的拆分将待优化的逻辑电路转化为由二输入基本逻辑门组成的多级逻辑网络,然后利用复合门搜索和等效转换算法将逻辑网络中适合复合门实现的子结构用相应的复合门替换.提出的优化算法用C语言编程实现,并用MCNC电路进行了测试.测试结果表明,相比于ABC和BDS软件结果,经算法优化后,电路的节点数可分别减少约37%和29%.     

基于Majority逻辑门映射的电路面积优化

提出了一种采用三输入Majority逻辑门(M门)和反相器实现电路逻辑功能的电路面积优化算法.该算法首先用动态规划策略完成电路的AIG(And-Inverter Graph)切割,然后通过搜索适合M门覆盖的AIG子结构以及与门和M门之间的等效替代,将AIG转换为适合M门映射的MIG(Majority-Inverter Graph),最后用Ω法则和Ψ法则对MIG进行简化,得到节点数更少的MIG,从而实现基于M门映射的电路面积优化.优化算法用C语言实现,并用MCNC电路测试.结果表明,相比于逻辑综合工具ABC的结果,用M门映射后电路面积可得到平均约12%左右的优化.     

基于近似逻辑的不完全指定FPRM函数的功耗优化

基于精确逻辑的逻辑综合和优化方法已有广泛的研究. 但有时并非需要精确逻辑, 从而可利用这种特性进行关键指标的综合和优化. 本文提出了基于近似逻辑的不完全指定固定极性Reed-Muller (Incompletely Specified Fixed Polarity RM, ISFPRM)逻辑函数的逻辑优化方法. 首先建立基于二级逻辑的功耗估算模型和近似电路的设计效能评估模型, 然后提出基于近似逻辑的ISFPRM函数的优化算法, 并用遗传算法加以实现. 所提算法应用于MCNC标准电路进行测试, 结果表明在一定的面积约束下, 电路每增加1%的误差率获得12%~18%的功耗优化     

基于CNFET的低功耗三值门电路设计

通过对碳纳米场效应晶体管(Carbon Nanotube Field Effect Transistor,CNFET)的研究,提出一种基于CNFET的低功耗三值门电路设计方案.该方案在分析CNFET结构及其不同尺寸的碳纳米管对应于不同阈值电压特性的基础上,以多值逻辑理论为指导,设计基于CNFET的三值反相器、与非门、或非门等单元门电路,最后利用HSPICE对所设计的电路进行仿真.结果表明:所设计电路具有正确的逻辑功能,与传统三值门电路相比,三值CNFET门电路平均传输速度提高52.7%,平均能耗节省54.9%.     

基于library-free映射的电路面积快速优化算法

针对library-free映射过程中常用的动态规划算法在求解大电路时覆盖时间过长的问题,提出了一种将动态规划与遗传算法相结合的混合优化算法,用于平衡求解速度和求解质量,并利用“与/或/非”图和逻辑努力实现基于MOS晶体管的电路的面积估算.MCNC电路的测试结果显示,相较于动态规划,混合算法求得的最优解在面积平均增加不到1%的情况下,求解时间可节省35%以上.     

基于正反馈异或/同或门的低延时混合逻辑加法器设计

针对采用传输管逻辑设计的加法器存在阈值损失以及延时过高等问题, 结合正反馈原理, 提出无阈值损失的低延时正反馈混合逻辑加法器设计方案. 该方案首先分析传输管异或门阈值损失机理, 利用正反馈环电平锁定特性, 设计无阈值损失的正反馈异或/同或门; 然后利用有比逻辑特定晶体管的尺寸差, 以减少正反馈异或/同或门输出延时; 最后融合传输管逻辑、传输门逻辑和静态互补CMOS逻辑等的优点, 实现无阈值损失且低延时的混合逻辑加法器. 在TSMC 65nm CMOS工艺下, HSPICE仿真结果表明, 所设计电路与传输门加法器相比延时和功耗延时积分别降低12.75%和10.88%.     

三值脉冲式JKL触发器设计

锁存器和触发器是时钟系统的基本元件.由于具有硬边沿、低延时等特点,脉冲式触发器比主从触发器越来越受到关注.很多文献对二值脉冲式触发器进行了研究,但是目前对三值CMOS脉冲式触发器的研究并不多.本文从脉冲式触发器的特点出发,提出了单边沿、双边沿三值脉冲式JKL触发器的设计,进一步丰富和完善了多值脉冲式触发器的设计.HSPICE模拟结果表明,提出的三值脉冲式JKL触发器具有正确的逻辑功能和功耗低、延时小的特点.与从传统的主从型和维持阻塞型三值JKL触发器相比,所设计的三值脉冲式JKL触发器电路结构简单,节省了近54.5%的能耗.